穆剑雄
哈工大机器人（中山）无人装备与人工智能研究院 广东中山 528400
摘要：随着社会经济和机械设计水平的不断提高，越来越多的机械手设备被用于生产和日常生活当中。传统的机械手存在着功能单一，动作不协调等问题。为此，笔者对多功能机械手设备进行了分析与研究，使其能够实现不同角度的物体抓取，作者在本文首先对多功能机械手设备进行了介绍，随后给出了多功能机械手设备的组成，对多功能机械手设备的工作原理进行了分析，设计了多功能机械手设备的伸缩和旋转部分，阐述了多功能机械手设备的操作系统控制，重点分析结构设计与程序设计。本文的研究成果对于相关部门的管理及技术人员提高相关技术水平具有较好的参考意义。
关键词：多功能；机械手；设备；分析；研究
前言
机械手是工业生产中较为重要的设备之一，通过模拟人手的一些基础操作，对工件进行抓取、搬运等操作，大大提高了生产效率及产线自动化程度。机械手的伸缩功能可以用于抓住不规则的物体，抓取工作结束后可以将机械手折叠回来。空气压缩式机械手主要利用大气压强对物体进行吸取实现抓取，抓取结束后压缩式机械手可以缩回到主机械箱内[1]-[8]。旋转机械手主要增加了旋转马达来驱动机械臂转动，能够避免机械手在折叠过程中与其它部件发生干涉。当前的机械手仍存在着抓取精度不高、定位不准等问题，故继续对配套多功能机械手设备进行研究，提升物品抓取精度和工作效率。
1、多功能机械手设备简介
多功能机械手一般安装在机器设备的末端，对物品或者零件进行抓取，不同的机械手设备可以分为液力驱动式、空气压力驱动式和电力驱动式等种类。这里面空气压力驱动机械手设备具有较大的优势，如动作精准、可靠性高、便于维护、污染少等，在当今工业中具有较好的应用前景。多功能空气压力驱动式机械手设备的组成主要是空气压缩缸体和抓取器，抓取器的动作通过控制程序实现。多功能空气压力驱动机械手设备根据不同的工作性能可以分为夹持式和吸盘式，当前有部分研究人员对不同的机械手设备进行了研究，取得了一定的成果。
2、多功能机械手设备的组成分析
在本文的研究过程中，笔者重点对空气压力驱动式机械手设备进行了组成部分的分析研究。该多功能机械手的组成较为复杂，主要有空气吸力盘、吸力盘连杆、圆柱连接体、机械夹持部件、气体压力传动缸、压力传动缸固定螺栓、气缸推动导向装置、机械通气管道、旋转马达装置、直线马达装置、角度传感设备、伺服电机设备、配套固定设备、传动装置、万向传动装置、位置限定装置、机械定位板、可旋转机械底座装置等。
3、多功能机械手设备的工作原理分析
3.1多功能机械手设备的伸缩设计
伸缩功能在多功能机械手设备的运行过程中最为重要和基础，大部分的动作是基于伸缩功能完成。在气缸内部设计有活塞装置，活塞装置在气体的推动下向外移动，活塞装置进一步推动配套的机械板沿着导向装置向前移动，相关的机械手设备在多个气体缸的作用下向不同位置展开。当多功能机械手设备使用结束后，让不同气缸的活塞杆设备移动到默认位置，同时反方向施加气体压力，机械手设备开始缩回，最终沿着导向装置将多功能机械手设备安置到机器主体内部。因此，在进行多功能机械手设备的设计过程中要加强对伸出及缩回功能的研究设计。
3.2多功能机械手设备的旋转设计
多功能机械手设备在使用过程中不仅有伸出和缩回的动作，同时也不可避免要进行转动的设计，这里主要是旋转功能的实现。多功能机械手设备的旋转功能主要通过角度传感设备和旋转马达共同作用来实现。在设计过程中，旋转马达带动传动轴转动，将扭矩传递给多功能机械手，角度传感设备能够及时感知到转动过的角度并进行角度控制。角度传感设备也会将相关信号传递给机器的主控机构，通过内部信息处理继而对外部的角度转动提供相关指令，控制多功能机械手设备实施不同的动作，实现对物品的抓取、夹持、和搬运工作，当前设计的多功能机械手设备能够实现360°不同角度的转动。
4、多功能机械手设备的操作系统控制
4.1多功能机械手设备的操作过程设计
多功能机械手设备的操作过程可以实现伸出、缩回和旋转等复杂的复合动作，本论文设计的多功能机械手是依靠压缩空气来吸附和释放物体的，其主要操作过程如下：首先将机械手靠近需要吸附抓取的物体，抽取两者之间的空气实现机械手与物体表面之间的完全贴合，在机械手的X，Y，Z方向轴都安装有驱动电机，实现在三个方向轴上的自由移动。同时三个方向轴会安装驱动控制器和限位传感器，防止在自动控制状态下机械手在任一方向上的位移出现错误。配合角度传感设备将多功能机械手的状态进行调控，当多功能机械手设备将物品移动并放置到预定位置后，释放气体压力缸内的气体，机械手与物体表面之间的气压恢复正常，物体与机械手之间脱离，在完成物体搬运工作后回到原位，这就是机械手的整个操纵过程。
4.2多功能机械手设备的系统程序设计
多功能机械手设备最终要应用在生产或者生活中，在应用中需要加强系统的程序设计，依据上一节分析的多功能机械手整个操作过程可以将系统控制程序分成以下几个部分：机械手的吸附和脱离，X轴、Y轴、Z轴方向的位移，复位操作，定位预警等等，这些控制程序都将集成到PLC电路中，由于需要实现的功能都较为简单，可以采用输出脉冲信号来实现相关设备的自动化控制。首先是机械手的吸附与脱离，只需要实现对气体压力缸的气压进行控制即可，在机械手靠近物体时，控制程序输出相关指令压缩压力缸，减少缸内气压就完成了物体的抓取工作。其次对于三个坐标轴的位移控制是整个控制程序中的重点，本设计中采用分布延时控制程序，即在控制程序中输入机械手需要到达的位置坐标，以X—Y—Z的顺序进行移动，并且在移动到相应坐标轴的指定位置时会延时10s检测移动坐标是否正确，在确定无误后才会进入下一个坐标轴的移动操作。复位操作是在机械手设备中选择适宜的位置作为机械手的原点位置，这既方便了坐标轴的位移定位，而且也确保了机械手移动的精确性。定位预警是将位移传感器，角度传感器等设备接入到PLC电路中，将机械手的位移信号实时采集反馈到控制电路中，降低系统自动运行过程中可能产生的失误。
5、结论
机械自动化是未来中国制造业发展的必然前进方向，随着互联网技术和微电子技术的迅速发展，传统的电控机械设备也迎来了全新的发展机遇。本文对多功能机械手设备进行了分析与设计，虽然可以实现的功能比较简单，而且没有将网络信息技术融入到其中，但是论文的研究方法和设计成果对于企业提高相关技术和水平具有较好的指导和参考作用。
参考文献
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穆剑雄，男，汉族，黑龙江哈尔滨，1994年4月11日，本科，哈工大机器人（中山）无人装备与人工智能研究院，（528400），研究方向：机械研发工程师